完整的低 ESL 电容器指南

完整的低 ESL 电容器指南 

什么是低ESL？

所有组件都有一些寄生效应，这意味着一些非预期的电感、电阻和电容。这些寄生效应导致组件的实际电气行为与组件的理想行为不同。它们可能是由于组件本身的构造或组件在 PCB 上的放置方式而产生的。通常，当提供直流电源时，无源器件将表现为理想元件，但寄生效应开始接管高频下的电气特性。

带 ESL 的电容器电路模型

在电容器中，等效串联电感 (ESL) 是电容器中的表观电感，仅在超出特定频率时才会变得明显。还有一些等效串联电阻（ESR）。最后，电容器中存在一些泄漏或体电阻，它与理想电容、ESL 和 ESR 并联存在。下图显示了这一点，以及真正的电容器阻抗。

由于电容器中的介电材料具有很强的绝缘性，因此 Rbulk 的值通常非常大（~100 GOhms），因此在计算电容器的阻抗时可以忽略它。因此，我们在选择电容时需要重点关注ESL和ESR值。

自共振和 ESL

如果你看一下上面的电路模型，你会发现一个真正的电容器是一个 RLC 电路，所以它有一些上面定义的自谐振频率。类似的 RLC 模型用于描述电感器、变压器甚至半导体（如二极管和晶体管）的真实行为。这种自谐振频率是真正的电容器可以像电感器一样工作的原因。当驱动频率大于自谐振频率时，元件的电感行为占主导地位。

为什么会有低 ESL 和 ESR？

一般来说，您永远不可能拥有一个 ESL 和 ESR 为零的电容器，但某些应用需要非常低的值。

选择电容器时需要低 ESL 值的三个原因，特别是对于高速/高频应用：

在滤波应用中：低 ESL 意味着自谐振频率更高，因此电容器在更宽的频率上表现得像一个理想元件。

在电源应用中：瞬态响应会更快，这意味着电容器可以更快地放电和提供电力。滤波的同样好处也适用于电源应用。低 ESR 在这里也很重要，因为 ESR 较低时充电/放电速度更快。

在去耦应用中：当用于高速 IC 的去耦/旁路时，低 ESL 电容器可更大程度地减少接地反弹和电源反弹。

下图显示了 ESL 如何影响具有 0.01 欧姆 ESR 的理论 10 nF 电容器的阻抗。各种曲线显示了不同 ESL 值（1 nH、10 nH 和 100 nH）的阻抗曲线。从图中，我们看到阻抗在自谐振频率之前是容性的，而与 ESL 值无关，然后在自谐振频率之外变为感性。

我们看到阻抗对于在开关电源、逆变器或电源转换器等应用中使用的电容器，ESL 通常不是一个主要问题。PWM 驱动器信号通常足够慢，以至于绝大多数功率都集中在自谐振频率以下，因此几乎可以使用任何具有高额定电压的电容器。例外情况是当您选择更高的开关频率（MHz 和更高）和更快的上升时间（~1 ns）以确保非常高效的电源转换时。在这种情况下，你的 PWM 驱动器可能会激发自谐振，并且需要低 ESL 电容器。

对于数字去耦应用，我们需要确保流入 PCB 的 PDN 的电流平滑，使用低 ESL 电容器有助于确保 PDN 阻抗平滑到更高的频率。目标是将 PDN 阻抗保持在某个目标值以下，因为低阻抗会转化为 PDN 上的小电压干扰。这就是为什么过时的高速设计应用笔记会告诉您使用三个电容器对每个 IC（10 nF、1 nF 和 100 pF）进行去耦。对于诸如高速 FPGA等上升时间非常短的高级组件，去耦策略可能要复杂得多，因为我们需要达到 10 或 100 GHz 的平坦阻抗。

什么决定了电容器的 ESL 和 ESR？

影响电容器 ESL 和 ESR 值的三个因素。这些包括：

电介质材料：电介质与电容引线之间的接触电阻决定了ESR值，电介质的磁导率决定了ESR值。

封装尺寸：这个因素对电容器的 ESL 和 ESR 影响最大。较大的封装将具有较大的引线和接触电介质的触点，因此它们可以具有较大的 ESL 值。

安装方式：由于通孔电容器上的引线尺寸较大，通孔元件的 ESL 往往高于 SMD 电容器。

因为电容器中使用的介电材料决定了 ESL 和 ESR，我们现在可以看到为什么一些 IC 数据表和应用说明会推荐特定类型的电容器。某些类型的电容器（例如，钽、陶瓷等）可能倾向于具有较低的自谐振频率，因此它们是用于高速数字应用的更好选择。同时，对于电力电子而言，使用更大的电容器更多是为了确保高电压额定值和保持稳定的直流输出，因此 ESL 和自谐振不太重要。

选择低 ESL 电容器

不幸的是，当您需要找到低 ESL 电容器时，大多数数据表都无法为您提供特定的 ESL 值。数据表可能会更好地显示 ESR 值，这对于了解阻抗曲线的平坦程度很重要。一些专门作为高频电容器销售的电容器数据表可能包含阻抗与频率曲线，这有助于您立即确定电容器是否满足您的带宽要求。

数字与模拟

为无线系统等模拟系统选择低 ESL 电容器相当容易。只需检查电容器是否像理想电容器一样工作，并且其自谐振频率大于系统中的工作频率。因为数字信号是宽带的，所以您需要将整个阻抗与频率的曲线与您的信号带宽进行比较，而不能只查看单个频率。

使用低 ESL 电容器去耦

请记住，物理上较小的电容器具有较低的 ESL 值，因此具有较高的自谐振频率；这也是为什么在高速数字系统中推荐使用物理上更小的电容器的另一个原因。如果您查看典型高速数字系统中的布局和 PDN 去耦方案，您会发现去耦网络中有多个并联电容器。这样做有一个特定的原因：并联使用多个相同的电容器会增加总等效电容并降低 PDN 阻抗，但不会改变谐振频率。这在下面的示例中显示了 5 个具有相同 C 和 ESL 值的电容器。

       上图中忽略了 ESR，但无论如何我们都会得到相同的结果；我将把它作为练习留给读者。这里的重点是，如果需要选择低ESL且自谐振频率高的电容，可以使用较小的电容，只需将多个电容并联即可。单个低 ESL 电容器或并联的多个相同电容器的频率响应将相同。

相同的想法并不严格适用于并联放置的具有不同 C 或 ESL 值的不同电容器。在这种情况下，由于不同极点的不同 RLC 网络之间的相互作用会出现多个谐振峰，需要更彻底的分析来了解这些电容器网络的阻抗和频率响应。

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